噪聲敏感的應(yīng)用要求采用具備超低輸出噪聲

當(dāng)說(shuō)到給那些對(duì)噪聲敏感的模擬 / RF 應(yīng)用供電時(shí)，低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器通常比功能相同的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器更受用戶的青睞。低噪聲 LDO 可為眾多的模擬 / RF 設(shè)計(jì)供電，包括頻率合成器 (PLL / VCO)、RF 混頻器和調(diào)制器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 (ADC 和 DAC) 以及高精度傳感器。然而，這些應(yīng)用對(duì)于功能和靈敏度的要求已經(jīng)開(kāi)始逐步考驗(yàn)著傳統(tǒng)低噪聲 LDO 的性能極限。

例如，在許多高端 VCO 中，電源噪聲直接影響著 VCO 輸出相位噪聲 (抖動(dòng))。而且，為了滿足整體系統(tǒng)效率要求，LDO 通常對(duì)噪聲相對(duì)較大的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器之輸出進(jìn)行后置穩(wěn)壓，因此 LDO 的高頻電源抑制比 (PSRR) 性能變得至關(guān)重要。憑借其超低輸出噪聲和超高 PSRR 性能，LT®3042 能夠直接為某些對(duì)噪聲最為敏感的應(yīng)用供電，同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出實(shí)施后置穩(wěn)壓，并不需要龐大的濾波電路。表 1 比較了 LT3042 與傳統(tǒng)低噪聲穩(wěn)壓器的噪聲性能。

LT3042 可為高性能電子線路提供無(wú)噪聲的電源

高性能、堅(jiān)固性和簡(jiǎn)單性

LT3042 是一款高性能低壓差線性穩(wěn)壓器，其采用凌力爾特的超低噪聲和超高 PSRR 架構(gòu)以為對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用供電。LT3042 盡管擁有高性能，但其同時(shí)也保持了簡(jiǎn)單性和堅(jiān)固性。圖 1 為該器件的一款典型應(yīng)用電路，圖 2 則示出一個(gè)完整的演示電路。LT3042 的纖巧型 3mm x 3mm DFN 封裝和極低的組件要求可使整體解決方案尺寸保持小巧。

表 1：LT3042 與傳統(tǒng)低噪聲 LDO 的比較

圖 1：LT3042 的典型應(yīng)用

圖 2：LT3042 演示電路

LT3042 被設(shè)計(jì)為一款后隨高性能電壓緩沖器的高精度電流基準(zhǔn)，其可容易地通過(guò)并聯(lián)以增加輸出電流、在 PCB 上散播熱量并進(jìn)一步降低噪聲，輸出噪聲的降幅為并聯(lián)器件數(shù)目的平方根。該器件基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)可提供寬輸出電壓范圍 (0V 至 15V) 并保持單位增益運(yùn)作，從而獲得了幾乎恒定的輸出噪聲、PSRR、帶寬和負(fù)載調(diào)節(jié)，這與編程輸出電壓無(wú)關(guān)。

除了提供超低噪聲和超高 PSRR 性能之外，LT3042 還擁有新式系統(tǒng)中期望的特性，例如：可編程電流限值、可編程電源良好門限和快速啟動(dòng)能力。此外，LT3042 還內(nèi)置了針對(duì)電池供電型系統(tǒng)的保護(hù)功能。其反向輸入保護(hù)電路可耐受輸入端上的負(fù)電壓，并不會(huì)損壞 IC 或在輸出端上產(chǎn)生負(fù)電壓，作用基本上就像連接了一個(gè)與輸入相串聯(lián)的理想二極管。在那些可以使輸出高于輸入的電池后備系統(tǒng)中，LT3042 的反向輸出至輸入保護(hù)電路可避免反向電流流至輸入電源。LT3042 包括內(nèi)部折返電流限制以及具遲滯的熱限制功能，可用于提供安全工作區(qū)保護(hù)。

超低輸出噪聲

憑借其 0.8μVRMS 的輸出噪聲* (在 10Hz 至 100kHz 帶寬內(nèi))，LT3042 成為了業(yè)界首款噪聲低于 1μVRMS 的穩(wěn)壓器。圖 3 把 LT3042 在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)的積分輸出噪聲與 LT1763 (其為凌力爾特 10 多年來(lái)噪聲最低的一款穩(wěn)壓器) 的相應(yīng)指標(biāo)做了對(duì)比。LT3042 的超低噪聲性能可開(kāi)辟以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，或者需要采用昂貴笨重的濾波組件才能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

圖 3：輸出噪聲：10Hz 至 100kHz

SET 引腳電容器 (CSET) 負(fù)責(zé)對(duì)基準(zhǔn)電流噪聲、(誤差放大器輸入級(jí)) 的基極電流噪聲以及 SET 引腳電阻器 (RSET) 的固有熱噪聲進(jìn)行旁路。如圖 4 所示，通過(guò)增加 CSET 可顯著地改善低頻噪聲性能。當(dāng)采用一個(gè) 22μF CSET 時(shí)，輸出噪聲在 10Hz 時(shí)低于 20nV/√Hz。需要注意的是，電容器還會(huì)產(chǎn)生 1/f 噪聲，特別是電解電容器。為了盡量降低 1/f 噪聲，應(yīng)在 SET 引腳上采用陶瓷電容器、鉭電容器或薄膜電容器。

圖 4：噪聲頻譜密度

利用一個(gè)電池或一個(gè)較低噪聲的電壓基準(zhǔn)對(duì) SET 引腳主動(dòng)地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可減少噪聲低于 10Hz。這么做基本上可以消除較低頻率上的基準(zhǔn)電流噪聲，僅剩下極低的誤差放大器噪聲。這種驅(qū)動(dòng) SET 引腳的能力是電流基準(zhǔn)架構(gòu)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。此外，積分 RMS 噪聲還會(huì)隨著 SET 引腳電容的增大而得到改善，在只采用 2.2μF CSET 的情況下可降至 1μVRMS 以下，如圖 5 所示。

圖 5：積分型 RMS 輸出噪聲 (10Hz 至 100kHz)

通過(guò)增大 SET 引腳旁路電容以降低輸出噪聲通常會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間的增加。但是，LT3042 的快速啟動(dòng)電路則使此項(xiàng)折衷的難度有所降低。該快速啟動(dòng)電路可容易地利用兩個(gè)電阻器來(lái)配置;圖 6 示出了啟動(dòng)時(shí)間的顯著改善。

圖 6：快速啟動(dòng)能力

超高 PSRR 性能

當(dāng)給對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用供電時(shí)，LT3042 的高 PSRR* 是很重要。圖 7 示出了 LT3042 令人難以置信的低頻和高頻 PSRR 性能，幾乎接近 120dB (在 120Hz)、79dB (在 1MHz) 和優(yōu)于 70dB (一直到 3MHz)。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，PSRR 性能則更好，如圖 8 所示。

當(dāng)接近壓差狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng) LDO 的 PSRR 性能會(huì)下降至幾十 dB，LT3042 則與之不同，即使在低輸入至輸出差分電壓條件下其亦可保持高 PSRR。如圖 9 所示，LT3042 能在高達(dá) 2MHz 頻率和僅 1V 輸入至輸出差分電壓條件下保持 70dB PSRR，并在高達(dá) 2MHz 頻率和僅 600mV 輸入至輸出差分電壓條件下保持幾乎 60dB PSRR。這種能力允許 LT3042 在低輸入至輸出差分電壓下對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后置穩(wěn)壓 (以實(shí)現(xiàn)高效率)，而其 PSRR 性能則滿足了對(duì)噪聲敏感之應(yīng)用的要求。

圖 7：PSRR 性能

圖8：針對(duì)各種不同負(fù)載電流的 PSRR

圖 9：PSRR 與輸入至輸出差分電壓的關(guān)系曲線

對(duì)開(kāi)關(guān)電源實(shí)施后置穩(wěn)壓

在那些采用 LT3042 對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后置穩(wěn)壓以在高頻條件下實(shí)現(xiàn)超高 PSRR 的應(yīng)用中，必須謹(jǐn)慎地對(duì)待從開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器至 LT3042 輸出的電磁耦合。特別地，不僅開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的 “熱環(huán)路” (hot-loop) 應(yīng)盡可能地小，由開(kāi)關(guān)電源 IC、輸出電感器和輸出電容器 (用于一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器) 形成的 “暖環(huán)路” (warm-loop) (AC 電流在高開(kāi)關(guān)頻率下流動(dòng)) 也應(yīng)該盡量地縮小，而且應(yīng)對(duì)其進(jìn)行屏蔽或?qū)⑵洳荚O(shè)在距離超低噪聲器件 (比如：LT3042 及其負(fù)載) 幾英寸的地方。雖然 LT3042 相對(duì)于 “暖環(huán)路” 的取向可為實(shí)現(xiàn)最小的磁耦合而優(yōu)化，但在現(xiàn)實(shí)中僅僅利用優(yōu)化的取向來(lái)實(shí)現(xiàn) 80dB 抑制會(huì)十分困難，有可能需要進(jìn)行 PC 板的多次迭代。

我們來(lái)研究一下圖 10，在該圖所示的電路中，LT3042 負(fù)責(zé)對(duì)以 500kHz 頻率運(yùn)行的LT®8614 進(jìn)行后置穩(wěn)壓，并在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸入端上布設(shè)了一個(gè) EMI 濾波器。由于 LT3042 被布設(shè)在距離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器及其外部組件僅 1~2 英寸的地方，因此不需要采取任何屏蔽措施就能在 500kHz 頻率下實(shí)現(xiàn)接近 80dB 的抑制。

然而，如圖 11a 突出顯示的那樣，為了實(shí)現(xiàn)該性能，在 LT3042 的輸入端上并未布設(shè)附加的電容器 (除了開(kāi)關(guān)電源輸出端上的 22μF 電容器之外)。不過(guò)，如圖 11b 所示，即使直接在 LT3042 的輸入端上布設(shè)一個(gè) 4.7μF 的小電容器，也將導(dǎo)致 PSRR 性能下降 10 倍以上。

這一點(diǎn)特別有悖于人們的直覺(jué) D 增設(shè)輸入電容一般是可以減小輸出紋波的 D 但是在 80dB 抑制水平下，由流過(guò)該 4.7μF 電容器的較高頻 (500kHz) 開(kāi)關(guān)電流所引起的磁耦合 (常常是無(wú)關(guān)緊要的) 卻會(huì)使輸出紋波性能顯著變差。盡管改變?cè)?4.7μF 輸入電容器以及把開(kāi)關(guān)電源的輸出連接至該電容器之走線的取向有助最大限度地減少磁耦合，但是要在這些頻率條件下實(shí)現(xiàn)接近 80dB 的抑制依然是相當(dāng)困難的，更不用說(shuō)它可能還需要進(jìn)行多次 PC 板迭代。

LT3042 相對(duì)較高的輸入阻抗可避免高頻 AC 電流流至其輸入端。如果 LT3042 布設(shè)在與前置穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的輸出電容器相距 3 英寸以內(nèi)的地方，則其可在未使用輸入電容器的情況下保持穩(wěn)定，考慮到這一點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)最佳的 PSRR 性能，我們建議不要在 LT3042 的輸入端上安放一個(gè)電容器，或者盡量減小該電容器的數(shù)值。

圖 10：LT3042 對(duì) LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器進(jìn)行后置穩(wěn)壓

把 LT8614 連接至 LT3042 輸入的幾英寸走線之電感可顯著地衰減非常高頻率的電源開(kāi)關(guān)瞬態(tài)尖峰。由于來(lái)自 LT8614 “熱環(huán)路” 之磁耦合的原因，有些尖峰仍將傳播至輸出。優(yōu)化 LT3042 電路板取向可減小剩余的尖峰。由于儀表帶寬的限制，這些非常高頻率的尖峰未在圖 11 的輸出紋波中示出。

圖 11：LT3042 對(duì) LT8614 Silent Switcher 進(jìn)行后置穩(wěn)壓 (a) 在 LT3042 輸入端上未布設(shè)任何電容器，(b) 在 LT3042 輸入端上采用了一個(gè) 4.7μF 電容器。

從中可以看出，如果不采用具超高 PSRR 的 LT3042 LDO，那么想在 500kHz 頻率下實(shí)現(xiàn) 80dB 抑制是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。其他替代產(chǎn)品無(wú)法勝任。例如：在500kHz 下，一個(gè) LC 濾波器將需要接近 40μH 電感和 40μF 電容才能實(shí)現(xiàn) 80dB 的抑制，因而不得不增設(shè)龐大、昂貴的組件。撇開(kāi)成本和電路板空間不談，如果未進(jìn)行正確的阻尼，LC 也會(huì)發(fā)生共振，從而導(dǎo)致復(fù)雜性增加。采用一個(gè) RC 濾波器的想法是站不住腳的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn) 80dB 抑制所需的電阻是不切實(shí)際的。同樣，采用傳統(tǒng) LDO 時(shí)需要級(jí)聯(lián)至少兩個(gè) LDO 才能在 500kHz 頻率下實(shí)現(xiàn) 80dB 抑制，這就必需增加組件和成本，并降低壓差電壓性能。

此外，為了實(shí)現(xiàn) 80dB 抑制，這些替代方案還需要關(guān)注磁場(chǎng)耦合。特別地，必須最大限度地減小高頻 AC 電流。

LT3042 在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)擁有超高的 PSRR，因此可實(shí)現(xiàn)上游開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的較低頻運(yùn)作 (以改善效率和 EMI)，而且在為那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用供電時(shí)完全不需要增加濾波器組件尺寸。

結(jié)論

LT3042 突破性的噪聲和 PSRR 性能，再加上其堅(jiān)固性和易用性，使之非常適合為噪聲敏感型應(yīng)用供電。憑借其基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)，噪聲和 PSRR 性能不會(huì)受到輸出電壓的影響。此外，還可以把多個(gè) LT3042 直接并聯(lián)起來(lái)，以進(jìn)一步降低輸出噪聲、增加輸出電流和在 PCB 上散播熱量。

注

* 在這些電平上實(shí)現(xiàn)噪聲和 PSRR 的正確測(cè)量需要極其謹(jǐn)慎并采用特殊的儀表。凌力爾特在即將發(fā)布的“應(yīng)用指南” (Application Note) 中將對(duì)這些測(cè)量過(guò)程進(jìn)行全面的探討。

** 此文譯自凌力爾特公司的 LT Journal April 2015 “Industry’s First 0.8μVRMS Noise LDO Has 79dB Power Supply Rejection Ratio at 1MHz”。